煤矿井下压裂关键技术及装备研究

本研究将地面压裂技术移植井下,结合煤矿生产实际情况,研究开发了井下水力压裂泵组、高压封孔材料及装置、基于WIFI的井下压裂监控系统、井下压裂专用操作指挥舱等关键技术和装备,制定了井下压裂工艺与安全保障体系。     

井下“双高”专用压裂泵组研制与应用

基于水力压裂技术在提高煤层渗透率方面的潜在优势,针对我国煤层透气性差带来的煤矿瓦斯(煤层气)抽采率低、瓦斯治理困难等问题,在对煤矿井下水力压裂特点和设备要求研究的基础上,以"高压力、高流量、体积小、可拆装、能卸压"为主要攻关目标,对井下水力压裂泵组进行了研发与制造。不同矿区多个生产矿井现场试验表明,研制的压裂泵组在施工压裂、排量、电控等方面完全可满足作业需要,压裂后煤层渗透率大幅提高,瓦斯治理效果显著。     

井下水力压裂钻孔囊袋式两堵多注封孔技术及应用

煤矿井下水力压裂钻孔主要应用于高瓦斯低透气性煤层的增透,封孔质量是影响压裂效果的关键因素之一。为了提高水力压裂钻孔的封孔质量,提出囊袋式"两堵多注"封孔的思路。在现有封孔技术的基础上,开发出了一套适用于煤矿井下水力压裂钻孔的囊袋式封孔技术,保证了水力压裂钻孔封孔质量。在淮南矿业集团公司9个煤矿共计施工97个水力压裂孔,在30MPa的压裂压力下,未出现孔口跑浆现象。压裂后煤层透气性系数达到原始状态下的5倍以上,单孔抽采纯量和抽采单元内抽采纯量均达到原始状态下的2倍以上。     

基于FLAC~(3D)数值模拟的水力压裂影响区域应力特征分析

针对在井下实施水力压裂过程中会产生应力的重新分布的问题,并可能会影响到采掘面的安全生产,为了更深一步的了解水力压裂过程中和结束后煤岩体中的应力分布特征,采用FLAC3D模拟软件对水力压裂过程中应力变化进行了研究。通过井下水力压裂FLAC3D数值模拟表明,压裂孔两侧本来的应力升高区域地应力大大降低,压裂影响范围内应力降低、出现卸压区,这对消除煤与瓦斯突出危险性十分有利;同时也发现了井下水力压裂存在的缺陷,在裂隙前端也将伴随新的应力集中出现,这给工作面的安全开采带来了安全隐患。     

碎软煤层井下多点定向长钻孔水力压裂技术

针对低透气性碎软煤层普遍存在的瓦斯抽采效果差的技术问题,研究了多点定向长钻孔水力压裂高效瓦斯抽采技术,探讨了碎软低透气性煤层的水力压裂增透机理;在施工多点定向长钻孔、井下水力压裂快速封孔装备的基础上,进行了煤矿井下水力压裂现场试验;分析了压裂过程中参数变化规律,提出了水力压裂影响范围、压裂效果和瓦斯抽采效果评价方法,并进行了效果考察。结果表明:该技术提高了井下水力压裂封孔效率和施工质量,改善了试验区域的煤储层参数,水分提高了4.31倍,透气性提高了4.88倍;水力压裂影响范围沿钻孔径向影响范围50~60 m;沿着钻孔轴向最大影响范围约40 m。压裂后连续抽采233 d累计抽采纯瓦斯量为25.14×10~4m~3,日最高抽采量3 077.41 m~3/d,瓦斯含量降低了34.67%。     

井下钻孔重复水力压裂技术应用研究

 我国煤矿煤层透气性系数低、抽采难度大,严重制约着矿井的安全高效生产。水力压裂因其增透效果显著,被广泛使用,但井下钻孔水力压裂存在压裂裂缝类型单一、压裂钻孔抽采寿命短、不均衡,易垮塌、堵塞,后期裂缝导流能力不足等问题;为改进完善已有井下水力压裂技术,本文结合煤矿实际情况,引入石油开采领域的重复压裂技术,尝试探讨了井下钻孔重复压裂的原理、类型及裂隙体系的形成,并通过现场应用取得了较好的效果。     

汪家寨煤矿松软高突煤层水力压裂试验研究

针对汪家寨煤矿瓦斯难抽采、防突效果检验超标、掘进速度缓慢等问题,在分析井下水力压裂技术的原理及设备情况的基础上,试验并研究了X41105工作面井下水力压裂技术措施。结合现场试验情况,确定出各种施工参数:封孔长度、压裂时间、压裂压力等,并对瓦斯抽采、消突效果,以及经济效益等指标进行了考察分析,结果表明,井下水力压裂措施具有快速消除煤与瓦斯突出危险性、提高瓦斯抽采率、经济效益显著的综合效果。     

煤矿井下水力压裂技术研究进展及展望

从压裂方法、压裂工艺以及压裂装备3个方面,综述了国内当前开展煤矿井下水力压裂技术研究的进展状况。分析认为在水力压裂适用条件、裂隙扩展控制技术、安全防护措施及设备、压裂监测技术等方面需要做进一步研究。     

煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用

水力压裂技术在煤矿坚硬、完整顶板岩层弱化及高应力巷道卸压方面得到越来越广泛的应用。以陕西曹家滩煤矿特厚煤层综放开采工作面、特厚稳定顶板岩层为工程背景，开展了顶板岩层地质力学测试、可压性试验，水力裂缝扩展理论分析及三维数值模拟，提出井下工作面定向钻孔区域水力压裂顶板层位、压裂钻孔布置与参数确定方法及压裂工艺。在井下进行了工业性试验和系统的地面微震实时监测，获得了顶板水力压裂裂缝空间展布特征。同时，进行了液压支架工作阻力，工作面周期来压步距及持续距离，来压动载系数及顶板岩层破断能量监测与分析，综合评价了水力压裂效果。初步建立了集压裂层位确定与参数设计，井下定向钻孔压裂工艺与装备，水力裂缝空间展布监测与压裂效果综合评价为一体的煤矿井下定向钻孔水力压裂成套技术。井下试验结果表明：在曹家滩煤矿井下地应力状态下（最小主应力为垂直应力），水力裂缝以水平裂缝为主，沿钻孔两侧扩展平均距离为80 m左右，有效弱化了工作面范围内上覆坚硬、完整顶板，实现了区域顶板改造。压裂区域工作面强矿压显现显著减弱，确保了工作面安全生产。最后，分析了水力压裂存在的问题，展望了技术发展方向。     

地面压裂与井下钻孔对接联合抽采技术

针对我国高瓦斯矿井采用单一井下抽采或地面抽采方法,抽采达标时间长,难以满足高产高效需要的技术难题,进行了实验室水力致裂及数值模拟的理论分析,分析了裂缝扩展的影响因素,给出了地面压裂裂缝扩展理论计算方法,为地面压裂造缝、布孔设计等提供理论支撑,研究了地面压裂作业与井下抽采钻孔合理的时间和空间衔接关键参数,实现了地面压裂井与井下钻孔的安全对接和联合压抽,提升了矿井瓦斯抽采效率,有效地保障了矿井安全生产。